ЗАКОН ОМА: ОДИНИЦІ ТА ФОРМУЛА, ОБЧИСЛЕННЯ, ПРИКЛАДИ, ВПРАВИ - ФІЗИЧНІ - 2025

Закон Ома в його макроскопічній формі вказує, що напруга та інтенсивність струму в ланцюзі є прямо пропорційним опором, що є постійною пропорційності. Позначаючи ці три величини відповідно V, I і R, закон Ома стверджує, що: V = IR

Аналогічно, закон Ома узагальнено, щоб включати в ланцюги змінного струму елементи ланцюга, які не мають чистого опору, таким чином приймаючи такий вигляд: V = IZ

Малюнок 1. Закон Ома застосовний до багатьох схем. Джерело: Wikimedia Commons. Тлапічка

Де Z - опір, який також представляє протидію проходженню змінного струму елементом ланцюга, наприклад конденсатором або індуктивністю.

Слід зазначити, що не всі матеріали схеми та елементи відповідають закону Ома. Ті, в яких він дійсний, називаються омічними елементами, а в яких він не виконується, їх називають неомічними або нелінійними.

Поширені електричні резистори мають омічний тип, але діоди та транзистори - ні, оскільки зв’язок між напругою та струмом в них не лінійний.

Закон Ома зобов'язаний своїм ім'ям німецького фізика і математика походження з Баварії Джорджа Саймона Ома (1789-1854), який під час своєї кар'єри присвятив себе вивченню поведінки електричних ланцюгів. Агрегат електричного опору в міжнародній системі SI був названий на його честь: ом, який також виражається грецькою літерою Ω.

Як він обчислюється?

Хоча макроскопічна форма закону Ома є найбільш відомою, оскільки вона пов'язує величини, які легко вимірюються в лабораторії, мікроскопічна форма стосується двох важливих векторних величин: електричне поле E та щільність струму J :

Де σ - електропровідність матеріалу, властивість, яка вказує, наскільки легко проводити струм. Зі свого боку J - вектор, величина якого є коефіцієнтом між інтенсивністю струму I та площею поперечного перерізу А, через який він циркулює.

Логічно припустити, що існує природний зв’язок між електричним полем всередині матеріалу і електричним струмом, який циркулює через нього, таким, що чим більший струм, тим більше струм.

Але струм не є вектором, оскільки не має напрямку в просторі. З іншого боку, вектор J перпендикулярний - або нормальний - до площі поперечного перерізу провідника і його напрямок - напрям струму.

З цієї форми закону Ома ми дістаємося до першого рівняння, припускаючи провідника довжини ℓ і перерізу А, підміняючи величини J і E на:

Зворотну провідність називають питомим опором і позначають грецькою літерою ρ:

Таким чином:

Опір провідника

У рівнянні V = (ρℓ / A) .I константа (ρℓ / A) - опір, отже:

Опір провідника залежить від трьох факторів:

-Ім питомий опір ρ, характерний для матеріалу, з якого він виготовлений.

-Довжина ℓ.

-Площа А її перерізу.

Чим вище ℓ, тим більший опір, оскільки носії струму мають більше можливостей стикатися з іншими частинками всередині провідника і втрачати енергію. І навпаки, чим вище А, тим легше поточним носіям впорядковано рухатись через матеріал.

Нарешті, у молекулярній структурі кожного матеріалу лежить легкість, з якою речовина дозволяє пропускати електричний струм. Так, наприклад, такі метали, як мідь, золото, срібло та платина, мають низький питомий опір, а хороші провідники, а дерево, каучук та нафта - це не тому, що вони мають більший опір.

Приклади

Ось два наочні приклади закону Ома.

Експериментуйте, щоб перевірити закон Ома

Простий досвід ілюструє закон Ома, для цього вам потрібен шматок провідного матеріалу, змінне джерело напруги та мультиметр.

Між кінцями струмопровідного матеріалу встановлюється напруга V, яке повинно змінюватися потроху. За допомогою змінного джерела живлення можна встановити значення зазначеної напруги, які вимірюються мультиметром, а також струм I, який циркулює по провіднику.

Пари значень V і I записуються в таблицю і з ними на побудованому папері будується графік. Якщо отримана крива є прямою, то матеріал є омічним, але якщо це будь-яка інша крива, то матеріал є неомічним.

У першому випадку можна визначити нахил лінії, який еквівалентний опору R провідника або його зворотній, провідності.

На зображенні нижче синя лінія являє собою один із цих графіків для омічного матеріалу. Тим часом жовті та червоні криві зроблені з неомічних матеріалів, наприклад напівпровідника.

Малюнок 2. Графік I vs. V для омічних матеріалів (синя лінія) та неомічних матеріалів. Джерело: Wikimedia Commons.

Гідравлічна аналогія закону Ома

Цікаво знати, що електричний струм за законом Ома має поведінку, подібну до тієї, що води циркулює по трубі. Англійський фізик Олівер Лодж першим запропонував моделювати поведінку струму за допомогою елементів гідравліки.

Наприклад, труби являють собою провідники, оскільки вода циркулює по них, а носії струму через останні. Коли в трубі є перетяжка, проходження води утруднене, тому це було б еквівалентно електричному опору.

Різниця тиску на двох кінцях трубки дозволяє текти воді, що забезпечує різницю у висоті або водяному насосі, і аналогічно різниця потенціалів (акумулятор) - це те, що тримає заряд рухається. , що еквівалентно витраті або об'єму води за одиницю часу.

Поршневий насос відігравав би роль джерела змінного напруги, але перевага введення водяного насоса полягає в тому, що гідравлічний контур таким чином закривався б так само, як електричний ланцюг повинен мати струм, що протікає.

Малюнок 3. Аналогія гідравлічного закону Ома: в а) системі потоку води та в б) простому резистивному контурі. Джерело: Тіппенс, П. 2011. Фізика: поняття та програми. 7-е видання. McGraw Hill.

Резистори та вимикачі

Еквівалент комутатора в ланцюзі, це був би стоп-кран. Це трактується таким чином: якщо ланцюг відкритий (стоп-сигнал закритий), струм, як і вода, не може текти.

З іншого боку, при закритому вимикачі (стоп-кран повністю відкритий) і струм, і вода можуть без проблем протікати через провідник або трубу.

Запорний кран або клапан також можуть представляти опір: коли кран повністю відкритий, це еквівалент нульового опору або короткого замикання. Якщо він повністю замикається, це як би розмикати ланцюг, а частково закритий - це як опір певного значення (див. Рисунок 3).

Вправи

- Вправа 1

Відомо, що електричний праска потребує 2А при 120 В для нормальної роботи. Який його опір?

Рішення

Розв’яжіть опір із закону Ома:

- Вправа 2

Дріт діаметром 3 мм і довжиною 150 м має електричний опір 3,00 Ом при 20 ° С. Знайдіть питомий опір матеріалу.

Рішення

Рівняння R = ρℓ / A є відповідним, тому спочатку потрібно знайти площу поперечного перерізу:

Нарешті, замінюючи, ви отримуєте:

Список літератури

1. Реснік, Р. 1992. Фізика. Третє розширене видання на іспанській мові. Том 2. Компанія Редакція Continental SA de CV
2. Сірс, Земанський. 2016. Університетська фізика із сучасною фізикою. 14- ^й . Ред. Том 2. 817-820.
3. Serway, R., Jewett, J. 2009. Фізика для науки та техніки з сучасною фізикою. 7-е видання. Том 2. Навчання за участю. 752-775.
4. Тіппенс, П. 2011. Фізика: поняття та програми. 7-е видання. McGraw Hill.
5. Університет Севільї. Кафедра прикладної фізики III. Щільність та інтенсивність струму. Відновлено: us.es.
6. Уокер, Дж. 2008. Фізика. 4-е видання Пірсона. 725-728